护坡止水方案.doc

中国建筑第七工程局第四建筑公司
THE FOURTH CONSTRUCTION COMPANY OF CHINA CONSTRUCTION SEVENTH ENGINEERING BUREAU

河南储备物资管理局职工培训中心楼
基坑支护止水工程设计方案
一、设计依据及原则
1.1设计依据
1）《河南储备物资管理局职工培训中心楼工程地质勘察报告》
2）《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99）及《使用手册》
3）《建筑基坑工程技术规范》（YB9258-97）
4）《土钉支护技术规程》（CECS96:97）
5）《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GBJ-86-85）
6)《土层锚杆设计与施工》（CECS22：90）
7）《喷锚网支护设计与施工》97.6
8）《建筑与市政降水工程技术规范》（JGJ/T111-98）
9）《基坑降水工程》2000.2
10）《建筑桩基技术规范》（JGJ94-94）
11）《地基与基础工程施工与验收规范》(GBJ120-99)
1.2设计原则
基坑支护止水设计应确能保证基坑工程的安全可靠,保证基坑邻近地面建筑物、地下管线的安全；在保证基坑工程安全施工的前提下，力求经济合理，节省造价，便于主体结构施工；在达到上述要求下，施工工艺应简便可行，缩短工期。
二、工程概况
　　拟建工程河南储备物资管理局职工培训中心楼位于郑州市东部，黄河路与政六街交汇处向北100米路东。拟建职工培训中心楼工程平面呈长方形分布，基坑尺寸：南北长54.2米,东西宽22.5米。目前,拟建物涉及的场地内无建(构)筑物分布。除局部地段堆积有建筑垃圾外,地势总体平坦,拟建场地自然地面平均标高为-1.20m，拟建筑物基坑普遍开挖底标高为-5.53 m,计算深度取H1=4.5 m,基坑北端约4.86 m宽为一过道,基坑开挖海底标高为-2.65 m,计算深度取H2=1.6 m。
拟建工程河南储备物资管理局职工培训中心楼基坑周边环境极为复杂。基坑东侧约10.4m处为围墙，围墙外为三栋6层住宅楼房,距基坑约12.3m,建于96-98年,为灰土桩基础;基坑南侧约5.4 m处为围墙，围墙外约2.5m处为一栋8层住宅楼房,距基坑约8.0m,建于96年,为灰土桩基础;基坑西侧为政六街，基坑西侧北端距环境最为严峻，基坑北侧西端紧邻基坑20cm处有一栋一层楼房，为餐厅厨房，基坑北侧东端紧邻基坑20cm处为河南省储备物资管理局所属的三层办公楼，建于60年代，整体性较差，新楼静压桩施工时已形成4-6㎜的裂缝，三层办公楼基础埋深0.84m,相对于新楼其基础底标高为-2.29m,新楼过道承台与三层招待所外墙齐,新楼过道承台垫层底标高为-2.65m，新楼过道承台垫层底和原有三层办公楼基础底高差为0.42 m。减少和控制基坑降水对周边环境的影响,采取稳妥可靠的支护加固方案,确保三层楼房的安全和正常使用是本工程的难点和重点。我公司根据本基坑工程的基坑规模、深度、地质水文条件、周边环境条件，从安全、经济、快速出发，优选喷锚网支护+静压注浆托换+花管注浆止水的联合支护加固止水方案。
三、工程地质及水文条件
拟建场地属黄河冲积平原地貌单元。场区地势平坦，根据各勘探孔孔口高程测量结果，现根据钻探、静力触探、标准贯入试验结果，结合室内土工试验资料，地质时代和成因类型，将勘察揭露的与基坑工程密切相关的土层自上而下简述如下：
地层特征描述
第1-1层：填土，杂色，湿，稍密，该层土成分差别较大，上部主要为砖渣和炉渣等建筑垃圾；下部为素填土，平均厚度0.5 m。
第1-2层:新近深积粉土,褐黄色,稍湿,稍密-中密,局部加粉质粘土。层底埋深4.9-6.4米,平均层底深度5.5米,平均厚度5.0米。
第2层：新近深积粉质粘土,灰黄色,灰褐色,饱和,软塑-可塑,含少量蜗牛壳碎片。厚1.9-3.2米,层底埋深7.2-8.5米,平均厚度2.00米。
第3层：粉土加粉砂,灰色,很湿,中密-密实，砂感强，厚度0.9-3.0米,层底埋深9.0-10.8米。
第4层：粘土，灰，可塑，见植物根系，偶见蜗牛壳碎片。厚3.2-5.58米，层底埋深13.5-15.2米。
第5层：粉质粘土，灰色，灰黑色，可塑，含有蜗牛壳碎片，厚2.9-3.2米,层底埋深17.9-18.5米。
场地内勘察深度范围内地下水分为两层，上层为潜水，下层为承压水，勘察进行期间场区上部潜水水位在地面下1.7-2.0米之间,属孔隙潜水,主要受季节性降水补给,年变化幅度0.8米,从7月中旬至10月上旬是每年丰水期,每年12月至来年2月为枯水期。
综上所述本基坑工程边坡支护和治水设计土层地质物理力学概化剖面如表1.
基坑工程设计参数建议值表　　　　　 表１　　
编号
地层名称
层厚
(m)
重度 γ(KＮ/m3)
粘聚力C(Kpa)
内摩擦角φ(度)
承载力fk(KPa)
1-1
填土
0.5
17.5
5
15

1-2
粉土
5.0
20.0
13
31
80
2
粉质粘土
2.0
20.3
23
22
70
3
粉土加粉砂
2.4
20.8
14
27
145
4
粘土
4.3
18.3
38
17
110
注：表内基坑工程设计土层物理力学参数值系根据地质勘察报告成果、技术规范及施工经验综合选取。
四、关于深基坑工程设计与施工几个观点
1、强调深基坑工程的整体性，设计和施工中要综合考虑基坑工程地质条件、环境条件、施工技术水平、基坑工程施工对工程地质体和环境的影响、技术经济性的优劣等，即要把基坑工程作为一个系统工程研究。重视VE（价值工程）研究，注重各种设计方案的技术经济分析，强调各种技术优势的综合运用，并根据基坑工程的不同要求，提出不同的设计思想和控制标准，从而降低工程造价。
2、重视工程实践和经验类比，强调施工工艺和施工组织在深基坑工程中重要地位。由于基坑工程的复杂性、多变性，许多问题并非计算所能解决，所以工程经验类比的方法仍是解决问题的主要途径之一。设计与施工密不可分，有时施工工艺的成功与否关系到整个设计方案的成败，必须根据特定的地质和环境条件选取特定的施工工艺，保证设计思想的实现。如本基坑工程的主要特点是地下水位埋藏浅，敏感性强、易流动土层较厚。如采用普通锚杆施工，在成孔过程中，不可避免会造成水土流失，从而引起地层沉降导致邻近楼房变形，更难以保证基坑北侧三层楼房的安全。锚杆施工因工艺选择不当出现工程事故的例子已屡见不鲜。在本基坑工程设计中，我部拟采用自进式一次性锚杆（无成孔过程）和端部浆封技术，避免水土流失现象，可保证设计思想的成功实施。
3、强调信息法施工，注重反馈设计，因为深基坑工程系统为一灰色系统。其工程地质水文勘察资料、环境情况调查、支护设计计算模型等都难以与实际情况完全相符，因此我们强调基坑工程设计人员现场跟班作业，对基坑工程施工实施定时监探，根据开挖揭露出的地质水平条件变化情况（即基坑工程地质体输出的新信息）和监测结果分析，及时调整设计，达到控制变形、保护环境的目的。深基坑工程信息法施工、全过程监控和反馈动态设计思想运作流程如下：
收集场区地质水文资料、了解基坑使用要求和周边环境情况

基坑概念设计工程经验类 比
确定控制标准、选取计算模型和计算参数
设 计 原 因

确定基坑工程参数给出设计施工方案

改进施工艺
施工原因

施 工

稳 定
施工监测
不稳定

施工结束

五、本基坑工程的总体设计思想
本基坑的周边环境非常复杂，基坑西侧为政六街，距幼儿园二层楼房仅7米左右，东侧为三栋6层楼房，距基坑约8.5米,南侧约8米处为8层楼房,北侧环境最为严峻,紧邻基坑20㎝处为河南省储备局所属的三层楼房,对基坑变形较为敏感,必须确保万无一失,该侧三层楼房是本基坑支护工程的重点和难点,也是本基坑工程的设计控制线和关键点,本基坑工程的主要矛盾是地下水水位高、不降水基坑开挖难以施工而降水又会引起周边环境沉降,如何有效的控制基坑降水对周边环境的影响是本基坑工程的重点之一。本基坑工程的另一个重点也是最大的难点在基坑北侧：
1、如何在仅仅20㎝的狭小范围内形成有效的止水帷幕和支护结构又不影响主体结构施工。二、在维持北侧三层楼房下地质体原有平衡状态的情况下如何在高水位粉土层中实施锚杆施工，同时又避免锚杆施工过程的水土流失，确保三层楼房的安全。本设计方案将综合运用各种技术优势解决上述难题并立求降低工程造价。综合分析本基坑的工程地质、水文条件、基坑规模、深度以及周边环境，本着安全、经济、快速的原则综合分析本基坑的工程地质、水文条件、深度以及周边环境，根据我部多年来的基坑支护治水设计施工经验，本着安全、经济、快速的原则。选择预应力喷锚网和树根桩与静压注浆托换技术相结合的综合支护加固技术和轻型井点降水+重点坡段竖向花管止水帷幕相结合的深基坑综合治水技术，我部认为这是一种较为快捷、经济、合理的方案。
本基坑工程采用轻型井点降水+重点坡段竖向花管止水帷幕止水为本基坑的优化综合治水方案。基坑支护选用复合型喷锚网技术，兼具边坡止水和控制变形的作用，具本考虑为（1）南、西、东侧，上部1.5 m按3:1放坡开挖，采用喷锚网支护止水，1.5 m深处设一1..5m宽台阶，下部3.0m垂直开挖,沿基坑边沿设置轻型井点降水。(2)北侧三层楼房处， 采用竖向全程注浆微型钢管树根桩固砂止水托换+挂网喷射砼+预应力锚
杆严格控制水平位移+CS浆液“跟踪注浆”托换技术进行综合治理全程保护 ，确保三层楼房安全。在基坑开挖、支护降水施工前，应用应力传递理论，先施工两排斜向注浆微型钢管树根桩对三层楼房南侧墙实施托换，同时形成一道注浆防渗帷幕，以减小后续支护施工楼房基础的扰动；为了控制降水对周围环境造成的沉降影响，确保三层楼房安全，该侧喷锚结构上面三层锚杆全部设计为预应力锚杆，严格控制水平位移，并随土层开挖施工三排花管实施CS浆液“跟踪注浆”托换，以严格控制垂直沉降；考虑到本基坑工程地下水位高、开挖范围内主要敏感性高、易流动、易液化的粉土层，普通锚杆施工会造成水土流失，引起地面沉降，危及楼房安全，该侧喷锚支护设计全部采用自进式锚杆，自进式锚杆施工采用我部自行研制的QC-100型自进式锚杆专用钻机自进式锚杆技术成功地解决了粉土层锚杆施工中的涌水、涌砂难题，能保证喷锚支护设计思想的实现和三层楼房的安全。
六、基坑工程支护降水设计方案
6.1基坑工程治水设计方案
6.1.1基坑工程降水设计方案
基坑降水方法很多，主要有轻型井点降水、喷射点降水、电渗井点降水、辐射井点降水、自渗井点渗水、管井井点降水等，但各种方法都有一定的适用范围，应根据基坑的水文地质条件、基坑尺寸、基坑深度和基坑周边环境条件综合选取。从土层可降性分析基坑安全和技术经济比较的角度看，采用轻型井点降水+喷锚网支护帷幕侧壁止水为本基坑的优化治水方案。根据工程地质勘察报告提供的资料可知，地下水位埋深为1.7~2.0m，属场地浅部潜水,其补给来源主要为大气降水,水位变幅受大气降水变化影响,水位需降至基坑底以下1.0 m,即地面以下5.5 m,,水位降低约3.5 m,属基坑工程中等降深,轻型井点降水为本基坑的最优降水方案,根据邻近场区的相关经验和计算结果得轻型井点的参数如下：井管L=7 m, 间距﹫1.4 m, 滤水管L=1.0 m, 影响半径R=19.78 m。
6.1.2降水引起的地面沉降估算及控制措施
基坑开挖降水后，水位降低将改变基坑周边工程地质体和原有平衡状态，使基坑周边土层产生附加荷载而导致相应的沉降，对周围建筑物会造成不同程度的危害，鉴于此，对可能产生的危害程度做出正确的评估是非常必要的。根据相关技术规定，采用下式估算因降水而引起的地面沉降量。
▽P▽H
ΔS=
E

1/2▽HγW
▽P=
2
把相关数据△H=3.5M,E=3.2MPa代入上式，算地面沉降量△S=1.90㎝,该计算结果没有考虑上部土层垂直向水头分布的差异,也没考虑沉降量随时间的变化。根据计算结果可知,该基坑降水施工对西、北、东三面环境会造成不利的影响。为了控制基坑降水对东、南、北三面环境造成的不利影响，确保建筑物的安全和基坑工程开挖支护施工的顺利进行，在该侧采取内井点降水以满足基坑开挖的需要。
6.2基坑支护加固设计方案
6.1.2支护结构设计技术条件
周边环境如后附图所示，地面附加荷载取q=20Kpa，楼房荷载每层取q=18 Kpa，在进行稳定性分析计算时，其C、ψ值应比原有土体的C、ψ值有所提高，但这种提高仅是定性分析，目前尚无定量分析，只能根据工程实践经验预估一个相应的提高系数来进行计算。又因为本工程深度较大，而且安全要求高，仍采用表1中的土力学参数，本基坑重要性系数取γ=1.1。
6.2.2 基坑东、西、南侧边坡支护结构
基坑东、西、南侧边坡上部1.5m按3：1放坡开挖，采用喷锚网支护止水，0.75m、1.5 m深处设—排长锚杆3.0 m长锚杆，1.5 m深处设—1.5 m宽台阶，下部3.0 m垂直开挖到底。
根据工程经验，基坑东、西、南侧边坡的喷锚网支护结构显然能满足边坡稳定要求。
6.2.3 基坑北侧三层楼房段边坡支护加固结构
6.2.3.1基坑北侧三层楼房托换加固设计
每层荷载取q=18Kpa，房间跨度取L=12m，则基边墙承受的总荷载为1/2（3×18×12）=324KN/m竖向全程注浆微型钢管树根桩有效半径取R=0.4m，摩阻力取τ=35 Kpa，则注浆微型钢管树根桩承载力为P=πRτ=43.96/ m。设置两排注浆微型钢管树根桩，注浆微型钢管树根桩参数为：1ф60×5L=9m@500，显然能满足要求。同时为了适时控制地层沉降，设置三排静压注浆花管，1ф48×3.5L=6m@500。
6.2.3.2 基坑北侧三层楼房段边坡复合喷锚网支护结构设计内容及设计步骤
1）根据周边环境条件和工程类比确定坡体的平面、剖面尺寸和分段施工高度。
2）根据边坡侧压力计算锚杆的抗拔力和锚杆长度。采用表1中的土力学参数，根据朗肯土压力理论按分层法计算土压力，并根据规程提出的梯形分布模式进行调整
ea=(γ*h+q)Ka-2C√Ka，Ka= tg2（450-/2）
ep=γ* h Kp+ 2C√Kp，Kp= tg2（450-/2）
锚杆受力计算采用1/2承担法，抗力分项系数取K=1.8，锚杆锚固体与土层摩阻力参照技术规范和工程经验综合选取。
Ti=Σea*Sx*Sy
L=Lz+Lm
Lz=(H-h)tg(45º-ψ/2)
Lm=KTi/cos(θ)лDτ
A=KNt/Pptk
根据计算结果，各层锚杆依据变形控制目标和工程类比经验调整后的具体取用设计参数见表2~表3。喷锚支护的模型试验和现场测试证实锚喷支护结构中锚杆为主要受力构件，钢筋网喷射混凝土依据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99）按构造选用。
3）喷锚支护结构强度验算
根据喷锚支护结构设计理论和相关规程要求，喷支护结构应进行（1）局部稳定性验算：（2）喷射混凝土面层强度验算；（3）施工中不同情况的内部稳定性验算；（4）整体稳定性验算。
4）全锚喷支护结构强度验算结果
本基坑复合预应力锚喷支护结构的设计和强度验算均在计算机上进行，各坡段支护结构的强度验算结果均符合相关规范要求，具体计算过程和验算结果如附件设计计算书。
5）锚杆参数与锚管拉杆选用
北侧基坑边坡锚管参数表（锚管位于地表下） 表2.
位置（m）
设计长度（m）
水平间距（m）
拉杆
倾角（度）
0.84
(Y)9
1.0
Φ48×3.5
15
1.44
(Y)9
1.0
Φ48×3.5
15
1.84
(Y)9
1.0
Φ48×3.5
15
2.34
（Y）9
1.0
Φ48×3.5
15
2.84
(Y)9
1.0
Φ48×3.5
15
6)喷射砼与注浆设计
喷射砼采用C20级,配比为水泥；砂：石=1：2：2，加速凝剂3—5%，层厚15±2㎝，采用普硅425#水泥，钢筋网：ф6.5250×250。
采用ф16螺纹筋作为加强将锚杆头钢筋网焊接在一起，预应力锚管采用14[槽钢联结。锚杆注浆采用普硅425#水泥，水灰比为0.45，压力为0.5—1.0Mpa左右，施工时要根据实际土层情况的注浆效果适时调控，外加早强剂及抗渗剂等其它外加剂。
七、基坑开挖与监测
7.1基坑开挖
由于该基坑工程土质较差，且基坑开挖施工要与基坑喷锚支护密切配合，所以基坑开挖要采用安全可靠的措施，严密组织，科学施工，要确保桩的质量和基坑边坡的稳定，尤其是要坚持“慎开挖、快支护、勤监测、早处理”的原则，严密组织，科学施工，确保安全。根据地质情况，周边环境和喷锚网支护设计，对基坑开挖要求如下：
（1）严格分层开挖，每层挖土按基础方案进行；（2）开挖土体时将靠近基坑边的地面附加载荷减到最小，即移开地面堆载；（3）开挖下层土时，保护上层支护的边坡，不得碰撞喷锚结构；（4）土方开挖后，及时修坡，及时提供喷锚作业面；（5）实施分层开挖施工，每次开挖长度不大于25米，开挖深度不大于1.5米，开挖前可先编好网，使开挖后能及时挂网喷射砼，封闭土体，做到随开挖、随支护，尽量减少土体变形时间。
（6）在雨期施工前应检查现场的排水系统，做好基抗周边地表水及基坑内积水的排泄和疏导，防止基坑暴露时间过长或被雨水浸泡。
7.2施工监测
　　施工监测是喷锚网支护“信息化施工”的一项重要内容，由于喷锚网支护设计施工受地质、水文环境、天气、荷载等诸多不确定因素的影响，设计方案难以完全符合工程实际情况，施工过程中加强施工监测，应作信息控制法实施全过程跟踪动态设计便显得尤其重要，这也正是喷锚网支护技术的精髓和重点所在，现场施工中，要求通过适当的监测手段，随时掌握周边环境的变化，以及支护土体的稳定状态、安全程度及支护效果，为设计和施工提供信息，现场工程师要通过信息反馈体系，及时修改支护方案，改善施工工艺，此时现场工程师的施工经验和临场应变能力对预防事故的发生显得尤为重要，同时监测资料还可以作为检验和评价支护结构稳定性的依据。
基坑监测内容主要包括：基坑支护体系、水平位移和沉降监测，邻近建筑物的沉降和变形监测，建议在基坑南、西侧，各设置2个水平位移观测点，2个垂直沉降测点，在东侧设置4个水平位移观测点，4个垂直沉降观测点，北侧设置3个水平位移观测点，3个垂直沉降测点（具体位置详见沉降观测平面图）。当变形过大或变形速率过大时，应每天观测一次，并分析变形原因做好观测记录，及时采取措施。监测仪器可选用经纬仪、水准仪、等，基坑监测工作应由专业技术队伍实施。
7.3应急处理措施
由于地下工程隐蔽性较大且基坑挖土深度主要是填土和粉土，施工中要加强观测加强信息法施工，施工中要有应急处理措施，以防范于未然。施工中若出现涌水涌沙现象，应迅速施喷砼或采用花管高压注浆止水；施工中若出现位移速率过大，应增加长预应力锚杆；若地面沉降速率过大并有坑底降起现象，应采用沙木桩、砂袋或静压注浆等措施迅速加固坑底；特别注意挖土时间和挖土顺序，严防因深层土体流动而使喷锚桩发生损坏，若有深层土体流动迹象，应立即停止挖土，采用进一步增加被动区土压力等方法加固坑底。
八、支护施工组织设计（略）
九、本基坑支护止水工程采用的新技术、新工艺
9.1花管注浆止水帷幕技术（略）
9.2复杂环境条件下高水位粉土层中锚杆施工技术（略）
9.3 CS浆材静压“跟踪注浆”托换技术（略）
9.4基坑“动态设计”和“信息施工”技术（略）

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